反射式強度調制型光纖傳感孔內表面粗糙度檢測技術研究.pdf

1、表面粗糙度是描述表面微觀形貌最常用的參數之一，是表面質量的直接反映，它在很大程度上影響和決定著零部件的使用性能，這種影響作用在機械、電子、生物醫(yī)學和光學等諸多領域都有重要體現。近幾十年來表面粗糙度測量問題一直是學術界重要的研究課題之一，隨著產業(yè)發(fā)展的推動和新技術的引入，各領域內發(fā)展出許多新的測量方法。本文對各類典型的表面粗糙度測量方法進行了綜述分析，針對目前內表面粗糙度測量技術的研究現狀和反射式強度調制型光纖傳感器(Reflective

2、 Intensity Modulation Fiber Optical Sensor, RIM-FOS)測量表面粗糙度存在的主要問題，以Φ5mm、Φ8mm和Φ10mm的孔為研究對象，提出了一種基于新結構的RIM型光纖內表面粗糙度傳感器的測量方法，能夠實現較小尺寸的孔內表面粗糙度的非破壞性測量。
　　本文對RIM-FOS的工作原理進行了深入的理論研究，推導了一定假設條件下單光纖對的光強調制函數，從理論上分析了RIM-FOS強度調制特

3、性曲線的主要影響參數，并對強度調制特性曲線的主要特性參數進行了解釋，指出了表面粗糙度測量應用對應的目標特性。根據RIM-FOS強度調制特性的計算機仿真分析結論，確定了RIM型光纖表面粗糙度傳感器設計的基本參考原則，設計了一種“1入12出”的雙層同軸結構的光纖表面粗糙度傳感器(傳感器I)。利用微反射棱鏡對傳感器I的傳感頭進行結構改進，研制出一種RIM型光纖內表面粗糙度傳感器(傳感器II)。
　　在RIM-FOS強度調制特性的建模研究

4、中，光纖出射光強的分布假設若與實際情況不符，會直接影響模型的正確性和準確性。本文推導了光纖出射光強符合高斯分布假設下的單光纖對光強調制函數，并在反射面為理想鏡面條件下建立了傳感器I的強度調制模型。深入研究粗糙表面的散射特性，基于Beckmann的散射幾何模型，推導了粗糙表面的光強調制函數。立足本文設計的雙路輸出的光纖表面粗糙度傳感器，給出了RIM-FOS測量表面粗糙度的理論模型，可以實際指導表面粗糙度測量。最后針對孔內側表面的測量問題，

5、討論了工作距離控制和傳感頭偏心等問題對測量結果的影響，為孔內表面粗糙度的測量提供了技術指導。
　　基于理論分析的結論，本文對傳感器I和傳感器II的強度調制特性進行了實驗研究，分析了兩個傳感器與表面粗糙度測量應用相關的特性，驗證了光纖表面粗糙度傳感器設計原則的合理性。通過傳感器I和傳感器II強度調制特性曲線的對比分析，實驗研究了微反射棱鏡對傳感器應用特性的影響，結果表明傳感器II在表面粗糙度測量方面有良好的應用能力。通過大量的實驗，

6、重點研究了反射面的表面粗糙度大小、加工方式和表面形狀對傳感器II強度調制特性的影響。實驗結果表明，以傳感器雙路輸出之比定義的測量參數對表面粗糙度有很好的區(qū)分能力，并通過分析確定了表面粗糙度測量時工作距離的取值范圍；而反射面的加工方式和表面形狀對傳感器的輸出有不同程度的影響，因此在對不同加工方式和不同表面曲率樣本進行測量時要區(qū)別對待，分別標定測量曲線。
　　應用傳感器II，本文搭建了一套孔內表面粗糙度的光纖傳感測量系統，對不同直徑的

7、孔進行了非破壞性測量。測量結果與TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的測量結果作了對比分析，論證了測量模型的正確性和測量方法的有效性、測量精度及測量范圍，分析了測量結果的主要影響因素，指出了今后研究的努力方向。
　　本文研制的反射式強度調制型光纖內表面粗糙度傳感器不僅體積小、操作簡便和經濟性好，而且具有測量精度高和測量范圍大的特點。因此，本文提出的基于該傳感器的新測量方法將在較小零件內表面粗糙度的非破壞性測量方面具有很好的